Установки электронного охлаждения с изменяемым профилем электронного пучка

• Автор: Бублей, Александр Валентинович
• Шифр специальности: 01.04.20
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 67 с. : ил.

Оглавление
Введение
1. Применение полого электронного пучка для решения проблем, возникающих в электронном охлаждении

1.1. Электронная пушка

1.2. Измерения профиля электронного пучка

1.2.1. Методика измерений

1.2.2. Оборудование

1.2.3. Калибровка постоянным током

12.4. Измерения профилей пучка

2. Магнитная система установки

2.1. Центральный соленоид (секция охлаждения)
2.1.1. Прецизионная система измерения магнитного поля соленоида
2.2. Поворотные магниты (тороиды), соленоиды пушки и коллектора
2.2.1. Измерения магнитной системы при помощи датчиков Холла
23. Коррекция магнитного поля
3. Электростатическая компенсация дрейфа электронов
4. Эксперименты по электронному охлаждению
Заключение
Литература

Введение
Электронное охлаждение является одним из методов управления параметрами пучков тяжелых ионов. После первых экспериментов с электронным охлаждением в Новосибирске, метод получил широкое распространение, во многих лабораториях были созданы установки с электронным охлаждением [1]. Опыт, накопленный при использовании электронного охлаждения в реальных экспериментах с внутренними мишенями и интенсивными пучками, показал наличие некоторых проблем, ограничивающих светимость таких установок. Наиболее существенной особенностью электронного охлаждения является быстрый рост скорости охлаждения для малых амплитуд отклонения ионов от равновесия. Это связано с тем, что магнитное поле на участке охлаждения «замагничивает» поперечное движение электронов. После ускорения электронов до высокой энергии продольный разброс очень мал и продольная температура в сопутствующей системе координат становится меньше 1° К. В результате, в большинстве случаев температурой электронного пучка можно пренебречь, и скорость охлаждения растет как куб амплитуды колебаний ионов. И, если, например, ионы с амплитудой колебаний 1 см могут охлаждаться за 1 сек., то ионы, накопленные в одно-миллиметровом «ядре» пучка, будут охлаждаться за время 1 мсек. Образование сверхплотного охлажденного «ядра» пучка приводило во. многих случаях к развитию колебаний и быстрой гибели ионов на больших амплитудах. Это ограничивало накопление пучков и вызывало проблемы фонов в детекторах. Модуляция энергии электронного пучка и, соответственно, возрастание энергетического разброса ионного пучка улучшало ситуацию.
Развитие новых проектов потребовало разработки систем охлаждения, позволяющих оперативно управлять охлаждением в б- мерном фазовом

пространстве для оптимизации накопления пучков. Для этого была разработана концепция управления не только скоростями электронного пучка, но и плотностью. Уменьшение электронной плотности к центру накопления уменьшает и скорость охлаждения. Так полый электронный пучок будет охлаждать только электроны с амплитудой колебаний, превышающей радиус полой части, что и предотвратит образование слишком высокой плотности ионного пучка. Кроме того, уменьшение электронной плотности в области накопления уменьшает и рекомбинацию ионов и увеличивает время жизни ионов, что позволит накапливать больше ионов.
Тяжелые ионы с большой зарядностью имеют высокие значения сечения взаимодействия с атомами остаточного газа в вакуумной камере. Современные накопительные кольца требуют перехода к вакууму на уровне 10’11 -10'12 торр. В установках электронного охлаждения основным источником газоотделения является десорбция под действием потерь электронного пучка в области охлаждения. Так потери тока на уровне 1 мА и коэффициенте десорбциЮ"3 будут создавать поток газа 6х1015 атомов в секунду, и при скорости откачки 10000 л/с равновесное давление составит 10~8 Торр. Для перехода к давлениям 10'11 Торр и ниже необходимо уменьшить потери электронного тока до уровня 1 мкА. Для этого предложено использовать электростатические повороты в установках электронного охлаждения. Идея состоит в том, чтобы, посредством электрического поля, заставить электроны, отраженные от коллектора, двигаться по той же траектории, что и основной пучок. B“ этом случае, совершив какое-то количество колебаний, они будут захватываться в коллектор вместе с электронами основного пучка.
Использование электронного охлаждения на высоких энергиях предъявляет высокие требования на прямолинейность магнитного поля в секции охлаждения. Отклонение от прямолинейности вызывает

Здесь /*- продольная координата центра к-ой катушки и 1ь- ток катушек. Полагается, что отклики других катушек отличаются только координатой их центра.
Вертикальное поле в каждой точке измерения гк можно аппроксимировать как
где с1к,п=ЗВу^п~ч) и Ьп=Вг(гп) (2.2)

Здесь к - это число катушек, участвующих в аппроксимации, и ук - искомое смещение (угол наклона) к-ой катушки.
Искомое смещение ук можно искать методом наименьших квадратов как наиболее вероятные значения[4].
г, сгп г, ст
Рис.2.4. Калибровка юстировочной системы. На графике слева: измерения вертикальной компоненты поля до (синяя кривая) и после (красная)наклона катушки. На графике справа: отклик и его аппроксимация гауссовой кривой.
По окончательному решению каждая к-ая катушка наклоняется смещением, либо поворачивается, если корректируется горизонтальная компонента на —ук. После коррекции катушек проводятся новые измерения поля. При необходимости улучшения вновь установленного поля всё повторяется заново, обычно требуется несколько итераций (Рис.2.5).